organicazione, ammonificazione, nitrificazione...

 

Organicazione dell'azoto

Il processo consiste nell'utilizzo di azoto inorganico per la sintesi degli amminoacidi e di altre molecole organiche.

Il composto dell'azoto più abbondante nel terreno e nelle acque è lo ione nitrato NO3-.

L'azoto nitrico ha il più alto numero di ossidazione possibile per l'azoto (+5), mentre soltanto l'azoto con numero di ossidazione -3 può essere trasformato in azoto organico. Perciò il nitrato penetrato nelle cellule subisce una riduzione ad ammoniaca.

Questo processo viene chiamato riduzione_assimilativa_del_nitrato.

La prima tappa dell'organicazione consiste nell'incorporazione dell'ammoniaca nei gruppi amminico ed ammidico del glutammato e della glutammina.

A partire dall'azoto amminico ed ammidico di questi due amminoacidi si possono formare tutti i composti azotati cellulari (sintesi_degli_amminoacidi).

 

 

 

 


Riduzione assimilativa del nitrato

La riduzione assimilativa del nitrato avviene in due stadi distinti: nel primo il nitrato è ridotto a nitrito, nel secondo il nitrito ad ammoniaca.

La riduzione del nitrato a nitrito avviene con il trasferimento di due elettroni:

HNO3 + 2e + 2H+ ® HNO2 + H2O

Tale reazione è catalizzata dall'enzima nitratoriduttasi_assimilativa.

La riduzione del nitrito ad ammoniaca mette in gioco sei elettroni:

HNO2 + 6e + H+ ® NH3 + H2O

Catalizzatore della reazione è l'enzima_nitritoriduttasi.

Esiste una rigorosa regolazione della riduzione assimilativa del nitrato.

 

 

 


Nitratoriduttasi assimilativa

La nitratoriduttasi è una proteina che contiene FAD (flavin adenin dinucleotide) e molibdeno.

Il cofattore della nitratoriduttasi, Mo, è un microelemento indispensabile: in sua carenza non è possibile utilizzare il nitrato.

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Donatori di elettroni per la riduzione del nitrato a nitrito sono NADH e NADPH.

La nitratoriduttasi catalizza il trasferimento degli elettroni dai donatori al nitrato.

La parte che contiene FAD si chiama diaforasi, quella con Mo, parte terminale. Al centro un citocromo.

La diaforasi ha un sito attivo per NADPH, la parte terminale un sito per lo ione nitrato.

FAD, citocromo e Mo costituiscono una catena di trasporto di elettroni che vanno da NADPH al nitrato per la riduzione.

 

 

 

 

 


Enzima nitritoriduttasi

La nitritoriduttasi è una proteina, che può essere diversa in organismi diversi.

Nel caso dei batteri contiene FAD e ferro; Fe fa parte di un componente eminico dell'enzima detto siroeme.

L'enzima utilizza, come donatori di elettroni, piridin-nucleotidi ridotti.

Nel caso invece delle piante superiori la nitritoriduttasi contiene pure il siroeme ma, invece che FAD, un centro di reazione ferro-zolfo Fe-S; in tal caso, come donatore di elettroni viene utilizzata ferridossina ridotta.

Lo schema di nitritoriduttasi delle alghe azzurre e verdi e delle piante superiori presenta, a sinistra, il sito per la ferridossina ridotta, a destra quello per lo ione nitrito.

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Mediante il centro di reazione Fe-S e il siroeme avviene il trasferimento di elettroni per la riduzione del nitrito.

 

 

 

 


Regolazione della riduzione assimilativa del nitrato

Esiste un sistema di controllo della riduzione assimilativa del nitrato, attuato mediante meccanismi di repressione: la riduzione viene, in particolare, inibita dall'ammonio.

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La regolazione dosa la velocità di riduzione sulla base di esigenze metaboliche; inoltre impedisce l'accumulo eccessivo di ioni ammonio che risulterebbero tossici ed evita il processo di riduzione dei nitrati che è assai dispendioso da un punto di vista energetico.

L'ammonio reprime la nitratoriduttasi e ne arresta la sintesi; inoltre ne inibisce anche l'attività.

I due meccanismi di regolazione, la repressione e l'inibizione, controllano la riduzione del nitrato in funzione delle esigenze della cellula.

 

 

 

 

 


Sintesi degli amminoacidi

Lo ione NH3+ entra nel metabolismo soprattutto attraverso composti come glutammina, acido glutammico e carbamil fosfato.

Una reazione molto importante di assimilazione dell'azoto, catalizzata dalla glutammina sintetasi che si trova in tutte le cellule animali, vegetali o batteriche, consiste nelle formazione della glutammina, che segue la formazione_dell’acido_glutammico

Si ha successivamente il trasferimento riduttivo dell'azoto ammidico dalla glutammina al cheto-gruppo dell'acido 2-chetoglutarico.

Delle due molecole di acido glutammico una viene reimpiegata per formare glutammina ed incorporare così una nuova molecola di ammoniaca, l'altra invece verrà utilizzata dalla cellula per la sintesi degli altri costituenti azotati.

Per la sintesi di questi viene impiegato o l'azoto amminico del glutammato (mediante reazioni di transamminazione), come nella sintesi dell'alanina e nella sintesi_dell’acido_aspartico oppure viene impiegato il gruppo ammidico della glutammina come nella sintesi del triptofano e dell'AMP, adenosin mono fosfato.

Tutte queste vie metaboliche sono regolate tramite inibizione da prodotto finale.

 

 

 

 


Formazione dell'acido glutammico

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Formazione della glutammina

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Trasferimento riduttivo dell'azoto ammidico

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Sintesi dell'acido aspartico

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Triptofano

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Ammonificazione

Le superfici della terra e dei sedimenti marini sono ricoperti da sostanze organiche provenienti da organismi morti; la loro degradazione da parte di batteri_ammonizzanti e di funghi viene chiamata mineralizzazione; se la sostanza organica è azotata, è detta ammonificazione poiché porta alla formazione di ammoniaca oltre che di anidride carbonica ed acqua.

Prima tappa del processo è l'idrolisi delle proteine ad amminoacidi, che avviene ad opera di enzimi proteolitici secreti da batteri e funghi; gli amminoacidi vengono poi deamminati per produrre ammoniaca e, penetrando all'interno delle cellule di batteri o funghi, vengono utilizzati in gran parte come sorgente di energia.

La perdita di NH3 da parte degli amminoacidi avviene o per deamminazione_ossidativa (glutammato, alanina) o per transamminazione (la maggior parte degli amminoacidi).

La parte organica che rimane entra nel ciclo di Krebs in cui viene ossidata ad anidride carbonica ed acqua, mentre l'ammoniaca prodotta viene liberata all'esterno.

La degradazione delle proteine da parte degli animali porta all'eliminazione di prodotti diversi come ammoniaca, acido urico o urea.

Nel terreno l'acido urico viene trasformato in urea, ad opera di batteri che possiedono uricasi. L'urea quindi viene idrolizzata ad anidride carbonica e ammoniaca ad opera dei batteri che possiedono l'enzima ureasi.

 

 

 

 


Deamminazione ossidativa

La deamminazione è detta ossidativa perché richiede l'intervento di un agente ossidante che, nel caso dell'acido glutammico, può essere il NAD o il NADP, come rappresentato nello schema di reazione

(l'enzima che catalizza la reazione è glutammato-deidrogenasi),

oppure il NAD per l'alanina, ala.

 

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Transamminazione

Le reazioni di transamminazione consistono nella degradazione di un amminoacido, con trasferimento enzimatico del gruppo amminico dall'amminoacido al carbonio chetonico di un chetoacido.

In seguito alla transamminazione l'amminoacido da degradare viene trasformato nel chetoacido corrispondente; questo poi, con opportune reazioni, entra nel ciclo di Krebs; il suo gruppo amminico, trasforma il 2-chetoglutarato in glutammato.

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Il glutammato viene deamminato ossidativamente con formazione di 2-chetoglutarato che può essere reimpiegato per la deammminazione di un'ulteriore molecola di amminoacido da degradare.

 

 

 


Degradazione delle proteine da parte degli animali

Le proteine ingerite con il cibo, nel tubo digerente subiscono idrolisi ad opera di enzimi proteolitici e vengono scisse in amminoacidi.

Gli amminoacidi vengono trasportati dal sangue fino alle cellule, dove sono impiegati per la sintesi delle proteine. Quelli non utilizzati direttamente, dopo aver subito deamminazione ossidativa o transamminazione, sono degradati nel ciclo di Krebs per produrre energia.

L'ammoniaca formatasi per deamminazione ossidativa, essendo altamente tossica soprattutto per il tessuto nervoso, non si accumula ma viene utilizzata in due modi alternativi: o viene usata, con l'intervento delle transamminasi, per la sintesi di amminoacidi secondo un percorso inverso a quello descritto, oppure viene escreta in varie forme dagli organismi.

Per esempio nei pesci ossei viene eliminata come tale (animali ammoniotelici); in uccelli, insetti e rettili viene trasformata ed eliminata come acido_urico (animali uricotelici); nei vertebrati terrestri viene trasformata ed eliminata come urea (animali ureotelici).

Acido urico e urea sono forme non tossiche per l'organismo.

 

 

 

 

 


Acido urico

L'acido urico è un prodotto normale del metabolismo, anche umano.

La molecola, costituita da due anelli di C ed N, è in equilibrio tra due forme, una con gruppi chetonici CO (a sinistra), una enolica, con gruppi ossidrilici OH ( a destra).

Gli OH sono acidi e i relativi sali monosodico e monoammonico sono poco solubili e possono formare calcoli renali o vescicali, oppure depositarsi nelle articolazioni (gotta).

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Urea

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L'urea è un normale prodotto catabolico (rifiuto) di molti organismi.

La molecola è molto semplice, due gruppi amminici NH2 uniti ad uno chetonico CO.

In presenza dell'enzima ureasi e di acqua può decomporsi in ammoniaca e anidride carbonica secondo la reazione:

NH2CONH2 + H2O ® 2 NH3 + CO2

Proprio per questa sua possibilità di sviluppare ammoniaca per idrolisi, viene anche utilizzata come fertilizzante per i terreni coltivati.

 

 

 

 


Batteri ammonizzanti

La degradazione delle proteine e di altri composti organici azotati è il risultato del metabolismo di un'ampia varietà di microrganismi, oltre a batteri anche funghi e attinomiceti.

Fra i batteri i più attivi sono alcuni clostridi (in figura una immagine di clostridium al microscopio), mentre un minor grado di attività si registra in specie dei generi Proteus e Pseudomonas.

I clostridi si presentano come bastoncini, di solito mobili per mezzo di flagelli; talvolta immobili.

Formano endospore ovoidali.

Sono chemioorganotrofi ed alcune specie sono saccarolitiche, alcune proteolitiche, alcune sia saccarolitiche che proteolitiche

La maggior parte dei ceppi è strettamente anaerobica.

Sono presenti comunemente nel suolo, nei sedimenti in ambiente di acqua dolce e marina e nel tratto intestinale di uomini e animali.

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Nitrificazione

Nitrificazione è il processo di ossidazione di composti ridotti dell'azoto; è un processo chemiosintetico e strettamente aerobico, attuato da due gruppi di batteri_nitrificanti presenti nel suolo e nelle acque.

Un gruppo ossida l'ammoniaca NH3 a nitrito NO2-, attraverso l'intermedio di ossidoriduzione idrossilammina NH2OH; l'altro gruppo ossida il nitrito NO2- a nitrato NO3-.

Il processo serve per ottenere l'energia necessaria per fissare CO2 e per la sintesi degli altri composti organici (processi_di_nitrificazione).

Nelle due tappe dell'ossidazione viene prodotto ATP. Nell'ossidazione di NH3 a idrossilammina non si forma ATP poiché la reazione è leggermente endoergonica (la variazione di energia libera è DG = +3,85 Kcal/mole).

Nell'ossidazione di NH2OH a NO2-, DG = -69 Kcal/mole; in quella di NO2- a NO3-, DG = -17,5 Kcal/mole.

Poiché la DG associata alla nitrificazione è estremamente piccola, la quantità di materia trasformata deve essere molto rilevante per coprire il fabbisogno metabolico.

 

 

 

 


Batteri nitrificanti

Sono batteri chemiosintetici, autotrofi obbligati poiché usano direttamente CO2 come sorgente di carbonio, mentre le sostanze organiche sono per loro generalmente tossiche.

Vivono nel suolo e nelle acque, prediligendo i terreni calcarei e non acidi: nessun batterio nitrificante può svilupparsi se non a pH>5,5 e a medie temperature (l'ideale è 25-30 °C).

Ossidano NH3 a NO2- (nitrosazione), e NO2- a NO3- (nitrazione) ricavandone energia sufficiente per la sintesi di composti organici.

I due processi di nitrosazione e di nitrazione vengono denominati nel loro insieme nitrificazione.

I batteri nitrificanti si dividono in due gruppi: un gruppo ossida NH3 a NO2- passando per l'intermedio idrossilammina NH2OH (batteri nitrosi, tra i quali quelli dei generi Nitrosomonas e Nitrosocystis), un altro ossida NO2- a NO3- (batteri nitrici tra i quali quelli dei generi Nitrobacter e Nitrococcus).

Alcune caratteristiche dei generi Nitrosomonas e Nitrobacter  sono riportate più avanti.

 

 

 

 


Nitrosomonas e Nitrobacter

Al genere Nitrosomonas appartiene una delle specie nitrosanti più diffuse: nitrosomonas europaea winogradsky.

E' a forma di bastoncini elissoidali, corti, mobili.

I batteri appartenenti a questa specie vivono isolati oppure aggregati a coppie o in corte catene.

Sono chemiolitotrofi obbligati.

Habitat: suolo, acque dolci e marine. Condizioni di crescita: 5-30 °C, pH 5,8-8,5.

 

Le specie più diffuse del genere Nitrobacter sono nitrobacter winogradsky e nitrobacter agilis.

Sono a forma di bastoncini corti, spesso piriformi. Di solito non sono mobili. Le cellule sono ricche di citocromi che impartiscono una colorazione giallastra alle sospensioni.

Molti sono chemiolitotrofi obbligati; ossidano NO2- a NO3- per soddisfare le loro esigenze energetiche: usano generalmente CO2 come fonte di carbonio, ma alcuni ceppi possono crescere molto lentamente in eterotrofia.

Sono strettamente aerobi.

Habitat: suolo, acque dolci e marine. Condizioni di crescita 5-40 °C, pH 6,5-8,5.

 

 

 

 


Processi di nitrificazione

L'ammoniaca, come ione ammonio, viene ossidata a nitrito, con trasferimento di 6 elettroni:

NH4+ + 3/2 O2 ® 2 H+ + H2O + NO2-                  (E = - 66,5 kcal/mole)

Il processo avviene in due tappe:

La prima fase è dovuta a una monossigenasi che, usando O2 come ossidante, inserisce un O in NH3:

NH4+ + 1/2 O2 ® NH2OH + H+

L'idrossilammina viene poi ossidata dall'idrossilamminadeidrogenasi, un enzima citoplasmatico complesso:

NH2OH + O2 ® H+ + H2O + NO2-

L'ossidazione del nitrito a nitrato, catalizzata dall'enzima nitritoossidasi, completa il processo della nitrificazione:

NO2- + 1/2 O2 ® NO3-                                   (E = - 17,5 kcal/mole)

 

 

 

 


Denitrificazione

Processo anaerobio, viene definito anche riduzione disassimilativa dei composti ossidati dell'azoto.

Tutti gli organismi viventi, esclusi i chemiosintetici, traggono l'energia a loro necessaria dall'ossidazione di composti organici, cioè dalla respirazione.

I batteri_denitrificanti, invece, se in presenza di ossigeno, lo usano come accettore terminale di elettroni; se in assenza di ossigeno ma in presenza di nitrato, usano quest'ultimo come accettore di elettroni.

Nella denitrificazione, come nella respirazione aerobia, si ha completa ossidazione del substrato organico a CO2 e H2O. Nella denitrificazione la variazione di energia libera DG è quasi pari a quella che si ha nella respirazione aerobia, che è di -686 Kcal/mole di glucosio.

Le tappe_del_processo_di_denitrificazione sono diverse.

 

 

 

 

 

 


Tappe del processo di denitrificazione

La denitrificazione avviene secondo diverse reazioni in cui il prodotto finale è N2 e intermedi NO2- e N2O.

5 C6H12O6 + 24 NO3- ® 30 CO2 + 24 OH- + 18 H2O + 12 N2                 

(DG = - 3018 kcal/mole)

C6H12O6 + 6 NO3-- ® 6 CO2 + 6 OH- + 3 H2O + 3 N2O                                    

(DG = - 508 kcal/mole)

C6H12O6 + 12 NO3- ® 6 CO2 + 6 H2O + 12 NO2-                                   

(DG = - 496 kcal/mole)

Poiché i prodotti gassosi vengono dispersi nell'atmosfera, la denitrificazione permette un ritorno dell'azoto dal pool di scambio a quello di riserva.

 

 

 

 

 


Batteri denitrificanti

I batteri denitrificanti sono in grado di operare la respirazione anaerobia dei nitrati, usando cioè il nitrato al posto dell'ossigeno come accettore degli elettroni liberati durante il processo respiratorio.

Alcuni batteri sono capaci di portare a compimento la denitrificazione, mentre altri soltanto stadi del meccanismo.

I batteri denitrificanti possiedono un'unica catena respiratoria che normalmente trasporta gli elettroni verso l'ossigeno.

Collegati alla catena respiratoria, a livello di citocromi, questi batteri possiedono enzimi speciali, la nitratoriduttasi e la nitritoriduttasi che, in assenza di ossigeno, permettono agli elettroni di fluire verso il nitrato o il nitrito.

Sono enzimi adattativi che si formano nella membrana cellulare solo in condizioni di anaerobiosi.

In presenza di ossigeno la sintesi delle riduttasi viene repressa.

Il trasporto di elettroni lungo la catena respiratoria è accoppiato a processi di fosforilazione per produrre ATP.

Sono denitrificanti alcune specie batteriche dei generi Pseudomonas, Thiobacillus, Paracoccus e Naisseria.

 

 

 

 


Pseudomonas

Il genere pseudomonas presenta cellule singole a forma di bastoncini diritti o curvi.

Le cellule sono mobili per mezzo di flagelli polari e non producono spore.

Sono generalmente chemioorganotrofi con metabolismo respiratorio, mai fermentativo.

Alcuni sono chemiolitotrofi facoltativi, capaci di usare idrogeno e anidride carbonica come sorgenti di energia.

Accettore di elettroni è in genere l'ossigeno molecolare, ma alcuni usano come accettore il nitrato.

Sono aerobi obbligati, tranne le specie che sono capaci di usare la denitrificazione come mezzo di respirazione.

In figura due ingrandimenti successivi al microscopio di pesudomonas.

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